Effect of tungsten carbides properties of overlay welded WC/NiSiB composite coatings

• Main Author: Seger, Richard
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Industriell produktion 2014
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-147580

To get a long life of a product which is subjected to heavy mechanical wear, materials with particularly good properties such as high hardness and the ability to resist high temperature is required. Tungsten carbide is a material which has these properties, but to manufacture large products for mining industry or agriculture entirely of this material is neither practical nor quite beneficial when the disadvantages of the materials such as brittleness, high weight and high price will have a major affect. To exploit material properties in a beneficial way it is more convenient to coat the surface on ordinary steel with a composite coating consisting of tungsten carbides in a nickel base matrix. By this way it is possible to utilize the steels ductility, lower weight and lower price along with the tungsten carbides superior abrasion resistance. The method for coating the steel surfaces of this composite material is usually some welding process. Laser or plasma welding with filler material in powder form is often used as a beneficial method for this. Höganäs AB is a manufacturer of metal powder and conducts development of metal powder mixtures for surface coating purposes. This report is a study of various types of tungsten carbide powder used for the surface coating process “Laser Cladding”. As tungsten carbide powders are available in various shapes and compositions, the goal is to find out what the different tungsten carbide types characteristics, advantages and disadvantages are when used in surface coatings, and also how they behave in the welding process. For this, the different types of powders were analyzed with respect to their properties in the unwelded condition. Thereafter samples of surface coatings were welded with the different types of tungsten carbides and their coating properties were analyzed. This has been done by measuring the dilution with X-ray diffraction, metallographic studies in both the light optical and scanning electron microscopy and hardness measurements. Finally, the coatings are subjected to abrasion test according to ASTM G65-4 for abrasive wear. The different types of tungsten carbides covered in this report are: 1. Spherical Cast Carbide2. Fused and crushed tungsten carbide, FTC3. Mono Cristalline tungsten carbide4. PA2, WC-Co carbide5. Agglomerated WC-Co carbide It appeared early in welding attempts that the carbide type PA2 (WC-Co) could not be weld with appropriate results, so further experiments of this type were canceled. After analysis of the welded coatings it can be concluded that Spherical Cast Carbide has the best wear resistance closely followed by Fused and crushed tungsten carbide and Mono Cristalline tungsten carbide. Agglomerated WC-Co carbide showed poor abrasion resistance in overlap areas, but in between these the result has appropriate properties were also a low surface roughness is achieved compared to the other materials. This could provide opportunities for new applications for this type of carbide where good surface finish is required, if it is possible to eliminate the problems in overlap areas. === För att få ut lång livslängd på en produkt som utsätts för tungt mekaniskt slitage krävs material med särskilt bra egenskaper som till exempel hög hårdhet och klara av höga temperaturer. Volframkarbid är ett material som har dessa egenskaper, men att tillverka en stor produkt för gruvindustri eller jordbruk helt i detta material är varken praktiskt möjligt eller helt fördelaktigt då man även får med sig vissa nackdelar med materialet som sprödhet, hög vikt och att det är mycket dyrt. För att utnyttja materialens egenskaper på ett fördelaktigt sätt belägger man istället ytan på vanligt stål med en kompositbeläggning bestående av volframkarbider i en nickelbasmatris. Detta gör att man utnyttjar stålets seghet, lägre vikt och lägre pris tillsammans med volframkarbidernas överlägsna nötningsmotstånd. Metoden för att belägga stålytor med detta kompositmaterial är oftast någon svetsprocess. Laser eller plasmasvetsning med tillsatsmaterial i form av pulver är ofta en fördelaktig metod för detta. Höganäs Ab är en tillverkare av metallpulver och bedriver utveckling av metallpulverblandningar för ytpåsvetsning. Denna rapport är en studie av olika typer av volframkarbidpulver som används för laserytpåsvetsning. Då volframkarbidpulver finns i olika former och sammansättningar är målet att ta reda på vilka de olika typernas egenskaper, för och nackdelar är när de används i ytbeläggningar, och även hur de beter sig i svetsprocessen. För detta har de olika typerna av pulver analyserats med avseende på deras egenskaper i osvetsat tillstånd. Därefter har svetsprover utförts med olika de olika volframkarbidtyperna och ytbeläggningarnas egenskaper har analyserats. Detta har skett med uppsmältningsmätningar med röntgendiffraktion, metallografiska undersökningar i både ljusoptiskt- och svepelektronmikroskop och hårdhetsmätningar. Avslutningsvis har beläggningarna utsatts för nötningsprov enligt standarden ASTM G65-4 för abrasiv nötning.De olika volframkarbidtyperna som behandlas i denna rapport är: 1. Spherical Cast Carbide2. Fused and crushed tungsten carbide, FTC3. Monocristalline tungsten carbide4. PA2, WC-Co carbide5. Agglomerated WC-Co carbide Det visade sig tidigt vid svetsförsöken att typen PA2 (WC-Co) inte gick att svetsa med fullgott resultat, så vidare försök på denna typ avbröts. Efter analyser av de svetsade ytbeläggningarna kan det konstateras att Spherical Cast Carbide har bäst nötningsmotstånd tätt följd av Fused and crushed tungsten carbide och Monocristalline tungsten carbide. Agglomerated WC-Co carbide visade på dåligt nötningsmotstånd i de områden där svetssträngarna överlappar varandra men mitt i strängarna finner man ett gott resultat där man dessutom får en god ytfinhet jämfört med de andra materialen. Detta kan ge möjlighet till nya användningsområden där god ytfinhet krävs för denna typ, om man kan eliminera problemen i överlappsområdena.